基于SOI的嵌入式III-V族激光器的單片集成

由于優(yōu)異的光學器件性能和互補金屬氧化物半導體（CMOS）的兼容性，硅光子集成在許多應用領域取得了巨大的成功。在單個硅片上實現(xiàn)III-V族激光器與硅光子器件的單片集成被認為是超高密度光子集成的一大障礙。超高密度光子集成可以提供相當經(jīng)濟、節(jié)能和規(guī)?；圃斓钠瞎庠?，但目前鮮有報道。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近日，上海交通大學和中國科學院物理研究所的研究人員展示了直接生長在溝槽絕緣體上硅（SOI）襯底上的嵌入式InAs/GaAs量子點（QD）激光器，實現(xiàn)了與對接耦合硅波導的單片集成。利用預定義的SOI溝槽內的圖案化光柵結構和混合分子束外延（MBE）的獨特外延方法，在該SOI襯底上實現(xiàn)了具有單片外耦合硅波導的高性能嵌入式量子點激光器。通過解決這種單片集成結構的外延和制造挑戰(zhàn)，獲得了在SOI襯底上的嵌入式III-V族激光器，其連續(xù)波激光發(fā)射工作溫度范圍最高為85 °C，最大輸出功率可以從對接耦合硅波導的末端測得，為6.8 mW，耦合效率約為-6.7 dB。本研究成果提供了一種可擴展且低成本的外延方法，實現(xiàn)了片上光源與硅光子器件的直接耦合，對于未來的高密度光子集成具有重要的意義。

在本研究工作中，邊緣耦合器和圖案化溝槽在具有220 nm厚的頂部Si層和3 μm厚的SiO2掩埋氧化物（BOX）層的SOI晶片上制造。叉形耦合器和互連波導通過電子束光刻（EBL）工藝來限定。使用ICP-RIE工藝對抗蝕劑圖案進行完全蝕刻。隨后，在去除電子束光刻膠之后，通過等離子體增強化學氣相沉積（PECVD）技術沉積3 μm厚的SiO2包覆層。然后，對包覆層、頂部Si層、BOX層和1.5 μm襯底層進行蝕刻，以形成激光器溝槽。值得注意的是，III-V族激光器外延的預定義激光器溝槽面積為每個單元16 mm × 16 mm，顯示出大約16%的III-V族填充因子。最后，利用EBL和ICP-RIE蝕刻工藝制備了用于III-V族激光器生長的硅光柵。

圖案化SOI溝槽示意圖和邊緣耦合器設計

溝槽SOI襯底上嵌入式激光器的制造工藝包括：第一步：暴露的硅襯底上刻蝕出硅光柵；第二步：在硅光柵頂部同質外延形成硅V形槽結構；第三步：在SOI溝槽內直接生長InAs/GaAs量子點激光器外延結構；第四步：化學去除SOI溝槽外不需要的III-V族材料；第五步：制備具有單側解理面的窄脊激光器；第六步：最后通過直接邊緣耦合將量子點激光器耦合到預先圖案化的硅波導中。

該研究工作所制備的嵌入式InAs/GaAs量子點激光器的傾斜視圖SEM圖像表明，該激光器與預先圖案化的硅波導精確對準，激光器脊和硅波導之間的水平偏移小于250 nm。

硅波導耦合的單片集成InAs/GaAs量子點激光器

硅波導邊緣耦合的片上激光器的特點是在室溫連續(xù)波模式下，閾值電流略高，為65? mA，最高工作溫度為85?°C（比不耦合硅波導的激光器低10 °C）。相對較高的閾值電流和較低的最高工作溫度歸因于周圍帶有BOX層的激光器溝槽內熱累積的增加。該硅波導耦合的片上激光器的最大輸出功率為6.8 mW。

與硅波導耦合和不耦合的SOI襯底上嵌入式InAs/GaAs量子點激光器的連續(xù)波特性

總而言之，通過在預先圖案化的SOI溝槽內直接生長InAs/GaAs量子點激光器，實現(xiàn)了具有硅波導輸出的SOI襯底上的單片集成III-V族激光器。為了在SOI襯底上獲得高質量的III-V族增益材料，本研究采用了（111）面硅V型槽的同質外延生長和InGaAs/GaAs缺陷俘獲技術的異質外延生長。結果表明，III-V族激光器與硅光子器件的單片集成將不再是設計層面的假設。該單片集成激光器的最高工作溫度為85 °C，室溫下閾值電流為65 mA，硅波導耦合最大輸出功率為6.8 mW。

更進一步，片上集成InAs/GaAs量子點激光器的性能可以通過包括先進的硅模斑尺寸轉換器（spot-size converter）來進一步提高，該轉換器在工藝過程中可以精確控制激光器-波導耦合的距離。一旦耦合效率問題得到解決，許多可選擇的硅光子器件都可以單片集成在單晶片上，例如調制器、波長解復用器和光電探測器等。功能集成的下一個主要步驟應包括具有高邊模抑制比（SMSR）的單縱模操作，這將需要構建表面光柵或片上分布式布拉格反射器?？傊?，研究人員相信這種片上激光器的單片集成技術將為高密度和大規(guī)模的硅光子集成提供一種很有前途的方法，特別是在片上光互連和集成光學測距等應用領域。

編輯：黃飛

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